【摘 要】
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岩溶动力系统具有高度的开放性,对外界环境十分敏感。目前对岩溶碳循环的研究不胜枚举,其中对岩溶水库的研究表明水库水体与外界不断的进行物质与能量的交换,对岩溶区碳循环发挥二次调控作用,显著改变了区域原有的碳循环模式。近年来,从岩溶碳循环角度解决全球遗漏汇问题已经形成了较为成熟的模式,即考虑水-岩-气-土-生相互作用的新模式。碳元素在水体中不断地迁移转化,其中涉及诸多水文地球化学过程。在岩溶水库中,水体
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“岩溶地下水补给型水库温度周期对碳循环过程的影响及机理”(41977166); 广西自然科学基金“岩溶环境学”(2017GXNSFFA198006);
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岩溶动力系统具有高度的开放性,对外界环境十分敏感。目前对岩溶碳循环的研究不胜枚举,其中对岩溶水库的研究表明水库水体与外界不断的进行物质与能量的交换,对岩溶区碳循环发挥二次调控作用,显著改变了区域原有的碳循环模式。近年来,从岩溶碳循环角度解决全球遗漏汇问题已经形成了较为成熟的模式,即考虑水-岩-气-土-生相互作用的新模式。碳元素在水体中不断地迁移转化,其中涉及诸多水文地球化学过程。在岩溶水库中,水体表层光合生物进行着光合作用,将溶解无机碳(DIC)转变为内源有机碳,另一方面进行着呼吸作用将有机碳转变为溶解无机碳。水体中部还进行着有机质降解,碳酸盐岩的沉淀与溶解过程。因此,水体中各种过程的耦合作用将对水体溶解无机碳循环造成显著影响。此外,水库受外界气候的影响,水温发生季节性变化,改变了水库水体的热结构模式,形成分层期、混合期(翻库期)的季节性模式。然而,水库热结构变化对水体溶解无机碳时空分布影响的研究还不足。本研究以广西上林县大龙洞水库为研究对象,研究水体热结构特征及其变化,分析热结构变化对水体溶解无机碳及其同位素变化的影响,主要的结论如下:(1)大龙洞水库热结构总体上存在一个水文年的周期性变化:春季(4月)太阳辐射逐渐增强热分层开始显现,水体可划分为表水层与底水层,夏季(7月)太阳辐射继续增强,水库完全形成热分层结构,水体自上而下依次出现表水层、温跃层、底水层,秋季(10月)太阳辐射逐渐减弱,表水层逐渐深入,温跃层消失,至冬季水体结束热分层,上下部温差几乎消失从而实现混合;而仅考虑翻库期间,热结构的变化也出现一些特征:随着太阳辐射的逐渐减弱,水温逐渐降低,当水温降至20℃左右时水库实现整个水体的混合,而在翻库过程中水体整体表现为正列状态下的热分层-短暂逆列状态下的混合-正列状态下的混合的过程,可见水体对温度的反馈有一定摆动和滞后性。(2)热分层期间,表水层、温跃层、底水层由于特定的特征层内主导的水文地球化学过程不同,最终导致水体上下部DIC浓度及其同位素δ13CDIC值的分布存在梯度差异。表水层内主导的优势过程有水气界面二氧化碳脱气,水生光合生物的光合作用,二者过程的叠加最终使得表水层表现出低DIC浓度及其高δ13CDIC值的特征。温跃层处于表水层与底水层的过渡区域,涉及有机质的降解、微生物呼吸作用和碳酸盐岩的沉淀作用,其中温跃层上部还不乏表水层两种过程的尾闾效应。底水层中涉及碳酸盐岩的溶解作用占据优势地位。热分层期间表水层、温跃层、底水层内的各种水文地球化学过程使得水体DIC浓度及其δ13CDIC值变化梯度G(DIC)与G(δ13CDIC)表现为:底水层<表水层<温跃层的特征。(3)从翻库期来看,翻库前虽未有相对完整的热分层,但也出现水体上下部各占优势作用的过程,导致水体上下部DIC浓度及其δ13CDIC值变化梯度类似于分层期。翻库前水体上下部DIC浓度及其同位素δ13CDIC值的差异,是热结构的存在导致的,具体表现在水体上部主要涉及水气界面二氧化碳脱气与水体浅层浮游植物的初级生产过程,从而导致水体上部DIC浓度较低而δ13CDIC值较高;水体下部主要涉及有机质降解、碳酸盐的沉淀与溶解等,从而使水体下部DIC浓度较高而δ13CDIC值较低。翻库后,随着水库热力因素的改变导致整个水体实现混合,水库水体垂直尺度DIC浓度及其δ13CDIC差值几乎消失,水平尺度却有DIC浓度上游<中游<下游的特征和δ13CDIC值上游>中游>下游的特征。
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